天仙公路工后沉降預(yù)測(cè)分析

汪 華，汪新元，田好國(guó)

（天門市公路管理局，天門431700）

天仙一級(jí)公路位于湖北省中部，江漢平原北部，漢江下游北岸，連接天門市和仙桃市。路線起于天門市侯口鎮(zhèn)，與省道天門皂市至仙桃毛嘴公路相連，該路基段主要不良地質(zhì)現(xiàn)象是路基段普遍發(fā)育的淤泥、淤泥質(zhì)軟土層，該層分布范圍廣，土質(zhì)差［1］。有必要對(duì)路基沉降量進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，為道路修建工程中施工工序的確定提供科學(xué)依據(jù)。文中首先介紹沉降預(yù)測(cè)理論方法，然后通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)分析提出合理的施工建議。

1 沉降預(yù)測(cè)方法

軟土地基路堤沉降觀測(cè)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工的重要手段，沉降資料可用于控制路堤的施工速率和路堤穩(wěn)定性［2］。將沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，用適當(dāng)?shù)臄M合曲線可以推算路堤的最終沉降量［3－4］?！豆奋浲恋鼗返淘O(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ期017—96）規(guī)定了雙曲線法、星野法和分層總和法等幾種常用的工后沉降推算方法［5］。

1）雙曲線法

雙曲線法假定路基的沉降速度隨時(shí)間以雙曲線形式遞減，其基本公式為

式中，ta、Sa分別為擬合計(jì)算起始參考點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間與沉降值；t、St分別為擬合曲線上任意點(diǎn)的時(shí)間與對(duì)應(yīng)的沉降值；α、β依據(jù)實(shí)測(cè)值求得的參數(shù)。

當(dāng)式中t→∞時(shí)，便可得到雙曲線法最終沉降量公式

用雙曲線法，要求實(shí)測(cè)沉降時(shí)間至少在半年以上。

2）星野法

星野法是依據(jù)太沙基固結(jié)理論得出的固結(jié)度U和時(shí)間t的平方根成正比的關(guān)系，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降值的研究，認(rèn)為包括剪切變形的沉降總量和時(shí)間的平方根成正比，其基本公式為

式中，Si為瞬時(shí)加載產(chǎn)生的瞬時(shí)沉降值；A、K為影響沉降速度系數(shù)。

當(dāng)式中t→∞時(shí)，便可得到星野法最終沉降量公式

3）分層總和法

分層總和法假定壓縮時(shí)土不能向側(cè)向膨脹，根據(jù)路基中心下土的附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，路堤最終沉降量等于路堤下壓縮層范圍內(nèi)各土層壓縮量的總和。

其他方法還有沉降速率法和三點(diǎn)法等，由于篇幅限制，文中采用分層總和法對(duì)固結(jié)沉降量進(jìn)行計(jì)算，采用星野法作工后沉降預(yù)測(cè)，并用雙曲線法作參考對(duì)比。

2 分層總和法計(jì)算固結(jié)沉降

運(yùn)用分層總和法對(duì)幾個(gè)典型斷面計(jì)算固結(jié)沉降，取特殊斷面K23＋00和其他幾個(gè)斷面進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

計(jì)算結(jié)果表明，只有當(dāng)軟土厚度超過(guò)18m，路堤高度超過(guò)3m時(shí)，總沉降量才會(huì)大于30cm。天仙一級(jí)公路（橋涵處除外）軟土厚度小于12m，路堤高度小于3m，總沉降量最大在23cm左右，其中50%在施工中完成，最大工后沉降量為12cm左右。

表1 分層總和法計(jì)算固結(jié)沉降量

3 超載預(yù)壓試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究一級(jí)公路軟土路基處理方法，并對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)，特對(duì)該路段進(jìn)行31d和90d超載預(yù)壓試驗(yàn)。

3.1 第一階段試驗(yàn)成果

第一階段試驗(yàn)是對(duì)天仙一級(jí)公路試驗(yàn)段進(jìn)行31d預(yù)壓試驗(yàn)，預(yù)壓荷載為20kN，預(yù)壓期間進(jìn)行了10次沉降測(cè)量。31d各測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖1所示。工后沉降依據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ017—96）之8.4.11.4星野法計(jì)算了各測(cè)點(diǎn)的工后沉降量，并用三點(diǎn)法對(duì)工后沉降量進(jìn)行了比較分析。表2匯總了13d、21d、31d時(shí)的試驗(yàn)段預(yù)壓沉降量和工后沉降量比較。

第一階段成果分析：

1）在第一階段，堆載13d沉降量約占總沉降量的42%～60%，堆載21d沉降量約占總沉降量的50%～70%，說(shuō)明大部分沉降在工后20d內(nèi)完成，從各點(diǎn)荷載－時(shí)間－沉降圖也可看出，經(jīng)過(guò)21～25d后，沉降明顯變慢，逐步穩(wěn)定。

2）運(yùn)用星野法推算橋頭（1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)）工后沉降分別為44.7mm、70.7mm和50mm，兩路邊占路中沉降量分別為63%和71%；一般斷面（4、5、6號(hào)測(cè)點(diǎn)）工后沉降分別為57.7mm、100mm和50mm，兩路邊占路中沉降量分別為57%和50%；一般斷面（7、8、9測(cè)點(diǎn)）工后沉降分別為50mm、70.7mm和50 mm，兩路邊占路中沉降量分別為70.7%和70.7%。說(shuō)明斷面沉降呈梯形分布，兩路邊占路中沉降量的60%～70%。

3）除5號(hào)點(diǎn)外，雙曲線法推算工后沉降與星野法計(jì)算結(jié)果基本一致，可以認(rèn)為：K29＋200～K29＋300試驗(yàn)段運(yùn)用雙曲線法與星野法推算工后沉降是合理的。

4）通過(guò)31d監(jiān)測(cè)，橋頭沉降分別為30.3mm、46.3mm和29.1mm，兩路邊占路中沉降量分別為64.8%和62.9%；一般斷面（4，5，6測(cè)點(diǎn)）沉降分別為37mm、58.9mm和39.7mm，兩路邊占路中沉降量分別為62.7%和67.4%；一般斷面（7，8，9測(cè)點(diǎn)）沉降分別為34.2mm、52.3mm和41.4mm，兩路邊占路中沉降量分別為65.4%和79%。實(shí)測(cè)說(shuō)明斷面沉降呈梯形分布，兩路邊占路中沉降量的63%～80%。

表2 試驗(yàn)段第一階段預(yù)壓沉降表

3.2 第二階段試驗(yàn)成果

第二階段試驗(yàn)是在第一階段試驗(yàn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)試驗(yàn)段各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行90d的觀測(cè)，各測(cè)點(diǎn)沉降如圖2所示，工后沉降如表3所示。

表3 預(yù)壓試驗(yàn)段各點(diǎn)工后沉降表 mm

由于大型運(yùn)梁車的干擾，兩邊測(cè)點(diǎn)特別是9＃測(cè)點(diǎn)、7＃測(cè)點(diǎn)和4＃測(cè)點(diǎn)干擾比較嚴(yán)重，致使測(cè)量數(shù)據(jù)失真，因此，9＃測(cè)點(diǎn)7＃測(cè)點(diǎn)和4＃測(cè)點(diǎn)不作為工后沉降分析依據(jù)。

路段中心測(cè)點(diǎn)（2＃、5＃、8＃和K29＋300測(cè)點(diǎn)）由于受干擾較小，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可信，可作為工后沉降分析的主要依據(jù)。

兩個(gè)階段作比較，第二階段工后沉降量比第一階段工后沉降平均高20%，將兩個(gè)階段作一個(gè)整體分析，其工后沉降量處于二個(gè)階段工后沉降量值之間，可以認(rèn)為，用第二階段工后沉降量是偏于安全的。邊樁位移沒(méi)有明顯變化。

3.3 試驗(yàn)研究結(jié)果與設(shè)計(jì)要求比較

試驗(yàn)研究結(jié)果與設(shè)計(jì)要求比較如表5所示，工后沉降取超載預(yù)壓第二階段中星野法和雙曲線法推算中最不利的測(cè)點(diǎn)。

表4 預(yù)壓試驗(yàn)段各階段沉降分析

表5 設(shè)計(jì)要求與實(shí)際情況對(duì)比

4 結(jié) 論

a.通過(guò)兩種試驗(yàn)工況的超載預(yù)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明工后沉降量滿足設(shè)計(jì)要求。

b.涵洞及人工構(gòu)造物預(yù)壓期間與工后沉降之和為9.4cm，滿足涵洞及人工構(gòu)造物工后沉降≤20cm設(shè)計(jì)要求。建議：一期工程完工后，進(jìn)行二期工程施工。

c.一般路面預(yù)壓期間與工后沉降之和為17.5cm，滿足一般長(zhǎng)路段工后沉降≤30cm設(shè)計(jì)要求。建議：一期工程完工后，進(jìn)行二期工程施工。

d.設(shè)計(jì)中規(guī)定天仙一級(jí)公路橋頭路堤工后沉降沒(méi)有在該試驗(yàn)段中涉及，同時(shí)因橋頭兩端路堤高度高于3m，建議：在橋頭兩端進(jìn)行超載預(yù)壓處理，長(zhǎng)度不小于10m，與路寬等寬，高度2m，預(yù)壓時(shí)間10d。

［1］ 王吉利.天仙一級(jí)公路軟基處理方法專題研究報(bào)告［R］.2004.

［2］ 劉玉卓.公路工程軟基處理［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ Eduardo Miranda，Jorge Ruiz－Garcia.Influence of Stiffness Degradation on Strength Demands of Structures Built on Soft Soil Sites［J］.Engineering Structures，2002，24：1271－1281.

［4］ Hamdy Faheem，F(xiàn)ei Cai.Three－dimensional Base Stability of Rectangular Excavations in Soft Soils Using FEM［J］.Computers and Geotechnics，2004，31：67－74.

［5］ 交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院.公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范《JTJ017—96》［S］.北京：人民交通出版社，1997.